专利名称：反馈控制的机器人手指的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可控的机器人手指的技术，尤其是涉及一种比较反馈控制的机器人手指。
技术背景现有的机器人手指控制技术日新月异，在专利很多申请文件中，提出了很多机器人手指自动控制的结构和方法，以及针对不同用处的机器人手的设计。但有些设计只能停留在概念设计阶段，由于其结构不够优化和紧凑，控制部件很难完全实现抓取物体的动作。对于动作矢量控制结构设计部分，申请号01821647.1给出了这样一种结构装置，该装置是通过计算机的中心处理和移动指令的模块发出动作指令，用于连续处理移动指令，并计算机械关节的位置矢量的装置，该装置实时计算机处理系统还包括一个动态控制算法与移动模块通信，对关节反馈信号进行计算，修正动作矢量位置。在机器人动作矢量反馈控制的设计中很多设计给出了各种函数分析的计算控制方式，对采集的反馈信号进行差异修正等等。在这些设计中有一个共同点，就是对反馈采集系统只采用一种或一种传感在多处位置进行信号采集，并对这些信号进行控制。这种设计理念对一种传感器的依赖较大，考虑到实际应用工作环境，会有很多影响，当然也包括这种传感器的设计误差和故障因素，都会对反馈信息采集和动作矢量修正产生影响。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供了一种采用气压传感器和弹簧引力传感器共同比较反馈控制机器关节的反馈控制的机器人手指，其解决了现有技术中手指关节结构设计不够紧凑的技术问题，同时解决了现有的技术中采用一种传感器对机器关节动作矢量反馈控制会出现较大误差的技术问题。
本实用新型解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的。
反馈控制的机器人手指包括铰接在关节铰接点上的各节手指杆，和铰接在两节手指杆之间的液压活塞装置及其驱动马达泵，机构电源，其特征在于还包括手指动作矢量测量反馈部件；手指动作矢量测量反馈部件包括气压活塞，铰接在相邻两节手指杆之间的气压传感器及其它附属结构，在关节弯曲时手指杆作用的引力传感器及其附属结构及控制前两组传感器发出的反馈输入信号和调整的驱动马达泵输出信号的控制装置。
本实用新型在相邻两节手指杆伸直后，液压活塞和气压活塞均处在两节手指杆所围成的柱体空间内。
本实用新型设在液压活塞和气压活塞上的压力管从关节弯曲方向相背的位置上引出。
本实用新型的引力传感器及其附属结构设在相对于关节弯曲方向的相背面的一侧边缘上；引力传感器固定在一节手指杆上，其感触表面固接一段弹簧的一端，弹簧另一端固连一根钢丝，钢丝与关节一侧的最外缘的铰接臂头端的凸轮表面接触，钢丝最后固定在另一节手指杆上，拉紧的弹簧中心线及钢丝线所形成的直线垂直于关节铰接轴线。凸轮表面所呈的弧线是一抛物线，关节缓慢弯曲，凸轮能使弹簧比较均匀的拉伸变形；当关节的两手指杆伸直成直线状时，也能保证凸轮和钢丝接触。在凸轮凸起的另一侧，当两手指杆成90度时，另一手指杆刚好触到的位置设有一挡块。
控制装置包含CPU，分别和CPU相连的内存，操作系统存储器，动作指令程序存储器，基准动作矢量数据存储器，数据缓冲存储器，输出信号的D/A转换通道；数据缓冲存储器和A/D转换通道相接，A/D转换通道又和I/O接口相连，I/O接口又分别连有气压传感器，引力传感器的输入线；D/A转换通道和驱动马达泵指令信号输出线之间是I/O接口。在控制系统中，每一个关节在数据缓冲存储器中设有一个存储单元和两个A/D通道，及一个D/A通道；每个数据缓冲存储器存储单元又分为两个地址，引力传感器和气压传感器反馈信号数据分别存入其中的一个对应的固定不变的地址，通过中间的I/O接口，两个A/D通道对应连接有一个引力传感器和一个气压传感器的输入线，一个D/A通道连有一个驱动马达泵输出线。在基准动作矢量数据存储器中为每一个关节设有一个基准动作矢量数据存储单元。
采用气动传感器和弹簧引力传感器两种不同的感测装置从不同的方式来测量机械手指关节动作矢量状况，将反馈数据传回控制系统，在和基准动作矢量数据存储器中的对应数据进行比较计算，优化校正，并将优化数据再传给液压装置马达驱动泵，完成了一个时刻一个关节的动作矢量的调整。当然这个调整是实时的。这种结构不是简单的将不同传感器罗列，在不同位置多设几个，而是采用不同方式，独立的采集，并进行三个数据的比较。有效降低控制误差。
对液压活塞装置和气压传感器的气压活塞装置的位置设定，是出于减少机械手的整体构造空间来考虑的，相邻两节手指杆伸直后，液压活塞和气压活塞均处在两节手指杆所围成的柱体空间内，当关节弯曲，两者处在这个变化了的柱体空间之外的部分并不是很多，也就是说，活塞的长度短粗。其要比将活塞设在关节柱体外部两侧的设计要美观。考虑到机械手有好几根手指，这种设计会减少各根手指之间的影响。两个活塞的压力管引出位置是考虑到当关节弯曲抓取物体时，物体不会触到管子。其设置的位置相当于人手的手背一面。
弹簧引力传感器及其附属结构在机械关节上也是设在类似人手手背的一侧，不光出于这个目的，还考虑到对关节弯曲的位置矢量感测的问题。关节弯曲时，带凸轮的手指杆相对于另一节手指干旋转，而同时固定在两手指杆上的弹簧和钢丝拉线机构，旋转的凸轮面将这个拉线机构突起，弹簧拉伸，拉动引力传感器，完成实时位置测量。钢丝的长度要一定穿过凸轮，再过一段距离。在每一关节铰接点处，其中的一个关节要设一限位挡块，防止关节反向弯曲。关节的最大弯曲角度不能超过180度，也就是说，两手指节伸直后，不能向手背方向弯曲。
对于反馈信号控制装置，首先要保证每一个关节都有一套基准动作矢量指令数据及其存储单元，这个数据是液压装置驱动马达泵的动作数据。各个关节的动作情况是不同的。
当一组实时信号传入CPU后，系统进行比较两者的比值大小，是否比较接近，如接近，再和基准动作矢量数据比较，三者数据接近，经过加权平均，计算值输出。如一组信号的两个值有较大不同，那再和基准动作矢量数据比较，三者中比较接近的两个值加权平均，计算值输出，并将发出指令检查该传感器线路的故障问题。如一组信号的两个值比较一致，均和基准动作矢量数据有较大差距，那就取前两值加权平均，计算值输出，并发出指令检查该液压装置驱动马达泵和线路的故障问题。
本实用新型提到的是一个二维矢量控制模式结构，当然对于一个三维矢量控制结构模式也是适用的。只需添加立体控制的传感器，控制系统中添加三维控制的存储结构单元和基准动作矢量数据。
本实用新型的有益效果是通过两组不同的数据反馈结构和控制比较修正装置，大大降低了关节动作矢量的控制误差，减少了外界环境，及内部结构故障和校准误差对矢量控制的影响；同时设计机构紧凑优化，外形美观，在机械手抓取过程中，大大降低了关节突出的控制部件动作的影响。
图1是本实用新型的关节结构和控制装置示意图；图2是本实用新型的控制装置整体结构示意图；图3是本实用新型的关节结构的正视图；
图4是本实用新型的关节铰接处凸轮结构示意图。
1a手指杆 1b手指杆 2铰接轴线 3凸轮铰接臂 4液压活塞 5气压活塞6a压力管 6b压力管 7弹簧 8驱动马达泵 9气压传感器 10引力传感器11钢丝 12凸轮 13挡块具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型进行详细说明在图1所示的实施例中，体现的是一个关节各装置结构的分布情况，及控制装置结构粗框。一个关节中的两个手指杆1a和1b，铰接在关节铰接轴线2上，液压活塞4和气压活塞5两端铰接在两手指杆1a和1b上。驱动马达泵8接受指令，将水通过压力管6a注入或流出液压活塞4，液压活塞4的活塞杆拉动手指杆1a和1b弯曲。手指杆1a和1b弯曲带动气动活塞5的活塞杆运动，气动活塞5压缩气体，气体压强变化，气压传感器9测量压强，并发出反馈信号。钢丝11一端固定在手指杆1b上，另一端和弹簧7固连，弹簧7再和引力传感器10固连，引力传感器10固定在手指杆1a上。手指杆1a和1b旋转，凸轮12转动，钢丝11被凸轮12凸起，引起弹簧7的拉伸变化，引力传感器10感受拉力的变化，并发出反馈信号。
在具体工作时，控制装置中的气动传感器9和引力传感器10同时测量到一个实时动作矢量测量值，通过各自的A/D转换通道，传到对应的数据缓冲存储器的存储单元，这些数据在CPU的工作控制下，调入内存，作对比，组出比较结果，然后将基准动作矢量存储器中的对应数据调入内存，再和前两个值再作对比，根据程序作出数值取舍。取舍原则是当一组实时信号传入CPU后，系统进行比较两者的比值大小，是否比较接近，如接近，再和基准动作矢量数据比较，三者数据接近，经过加权平均，计算值输出。如一组信号的两个值有较大不同，那再和基准动作矢量数据比较，三者中比较接近的两个值加权平均，计算值输出，并将发出指令检查该传感器线路的故障问题。如一组信号的两个值比较一致，均和基准动作矢量数据有较大差距，那就取前两值加权平均，计算值输出，并发出指令检查该液压装置驱动马达泵8和线路的故障问题。计算值直接通过D/A通道传到液压装置驱动马达泵8调整位置矢量。
在图2所示的实施例中，在本图中是设定三个关节的控制装置整体结构。三个气动传感器9和三个引力传感器10的导线经I/O接口，通过总线结构，分别通过六个A/D数据转换通道，将反馈信号传到三个数据缓冲存储器中，存到各自的存储单元中。这些实时数据在CPU的安排下，指令排序，一组一组的将气动传感器9的反馈信号和引力传感器10的反馈信号一起调入内存中，再从指令集存储器中调入对比程序指令，比较数值差异，作出判断，然后再将基准动作矢量存储器中的三个存储单元中对应的那个关节的存储单元的存储数据调入内存，三个数据再作比较，根据程序作出数据取舍和计算，并将校正数据通过总线及三个D/A通道中对应的那个通道，最后经I/O接口将指令传给液压装置驱动马达泵8，完成一个关节实时动作矢量的调整。
在图3所示的实施例中，当两手指杆1a和1b处于伸直状态时，关节的主要结构，液压活塞4比气压活塞5半径大，体积尽可能的大是为了增加液体体积注入量，减少误差。且前者处于铰接轴线3较中点的位置。
引力传感器10及其附属结构设在手指杆1a和1b弯曲的另一面，也就是说类似人手手背的一面。且在手指杆1a和1b的背面一侧处，弹簧7轴线及钢丝11和铰接轴线3垂直，且在凸轮12铰接臂外侧方，钢丝和凸轮12表面中间处接触。
在图4所示的实施例中，可以直观的看到凸轮12抛物线形状，旋转的凸轮面将钢丝11凸起，当关节的两手指杆1a和1b伸直成直线状时，也能保证凸轮12和钢丝11接触。在凸轮12凸起的另一侧，当两手指杆1a和1b成90度时，在另一手指杆1a刚好触到的位置设有一挡块13。图4a是两手指杆弯曲时，两者铰接处的结构示意图，挡块13远离手指杆1a，不会影响关节的弯曲。图4b是两手指杆1a和1b伸直时，两者铰接处的结构示意图，因挡块13碰到手指杆1a，使两手指杆1a和1b不能向手背面弯曲。
权利要求1.反馈控制的机器人手指，包括铰接在关节铰接点上的各节手指杆，和铰接在两节手指杆之间的液压活塞装置及其驱动马达泵，机构电源，其特征在于还包括手指动作矢量测量反馈部件；手指动作矢量测量反馈部件包括气压活塞，铰接在相邻两节手指杆之间的气压传感器及其它附属结构，在关节弯曲时手指杆作用的引力传感器及其附属结构及控制前两组传感器发出的反馈输入信号和调整的驱动马达泵输出信号的控制装置。
2.根据权利要求1所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述控制装置包含CPU，分别和CPU相连的内存，操作系统存储器，动作指令程序存储器，基准动作矢量数据存储器，数据缓冲存储器，输出信号的D/A转换通道；数据缓冲存储器和A/D转换通道相接，A/D转换通道又和I/O接口相连，I/O接口又分别连有气压传感器，引力传感器的输入线；D/A转换通道和驱动马达泵指令信号输出线之间是I/O接口。
3.根据权利要求2所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于在控制装置中，每一个关节在数据缓冲存储器中设有一个存储单元和两个A/D通道，及一个D/A通道；每个数据缓冲存储器存储单元又分为两个地址，引力传感器和气压传感器反馈信号数据分别存入其中的一个对应的固定不变的地址，通过中间的I/O接口，两个A/D通道对应连接有一个引力传感器和一个气压传感器的输入线，一个D/A通道连有一个驱动马达泵输出线。
4.根据权利要求2所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于在基准动作矢量数据存储器中为每一个关节设有一个基准动作矢量数据存储单元。
5.根据权利要求1所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述相邻两节手指杆伸直后，液压活塞和气压活塞均处在两节手指杆所围成的柱体空间内。
6.根据权利要求1或5所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述液压活塞和气压活塞上设有的压力管在和关节弯曲方向相背的位置上引出。
7.根据权利要求1所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述引力传感器固定在一节手指杆上，其感触表面固接一段弹簧的一端，弹簧另一端固连一根钢丝，钢丝和关节一侧的最外缘的铰接臂头端的凸轮表面接触，钢丝最后固定在另一节手指杆上。
8.根据权利要求1或7所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述引力传感器及其附属结构设在相对于关节弯曲方向的相背面的一侧边缘上，拉紧的弹簧中心线及钢丝所形成的直线垂直于关节铰接轴线。
9.根据权利要求1或7所属述的反馈控制的机器人手指，其特征在于所述凸轮表面所呈的弧线是一抛物线，关节缓慢弯曲，凸轮能使弹簧比较均匀的拉伸变形；当关节的两手指杆伸直成直线状时，也能保证凸轮和钢丝接触。
10.根据权利要求9所述的反馈控制的机器人手指，其特征在于在凸轮凸起的另一侧，当两手指杆成90度时，另一手指杆刚好触到的位置设有一挡块。
专利摘要反馈控制的机器人手指，包括铰接的各节手指杆，铰接在两节手指杆之间的液压活塞装置及其驱动马达泵，机构电源，手指动作矢量测量反馈的部件有铰接在相邻两节手指杆之间的气压传感器及其附属结构，手指杆弯曲间接触动的引力传感器及其附属结构，及控制前两组传感器发出的反馈信号输入和修正的马达泵输出信号的控制装置。控制装置包含CPU，分别和CPU相连的内存，基准动作矢量数据存储器，数据缓冲存储器，及D/A转换通道，数据缓冲存储器又分有引力传感器和气压传感器的信号数据存储单元，它们分别连有A/D转换通道。本设计结构紧凑，关节动作矢量调节误差小。
文档编号B25J15/00GK2832455SQ20052004442
公开日2006年11月1日 申请日期2005年8月22日 优先权日2005年8月22日
发明者张承栋 申请人:上海市上海中学